Содержание к диссертации
Введение 4
1. ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И БЕЗО ПАСІЮСТИ ТРУБОПРОВОДІ ІЬІХ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕІІИЯ 16
1.1. Условия эксплуатации и параметры технического состояния газопроводов 16
1.2. Обеспечение работоспособности и безопасности газопроводов.. 18
1.3. Методы локального диагностирования газопроводов 28
1.4. Современные подходы к оценке остаточного ресурса газопроводов 30
Выводы по разделу 47
2. РОЛЬ ЛОКАЛЫ ІЬІХ ПЕРЕІІАПРЯЖЕІІИЙ В МЕТАЛЛЕ ТРУБ В ФОРМИРОВАНИИ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТОСПОСОБ ] ЮСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ГАЗОПРОВОДОВ 49
2.1. Микро- и макроскопические перенапряжения в газопроводных трубах 49
2.2. Новый подход к решению задач линейной механики разрушения. 64
2.3. Теоретическая оценка максимально разрешенного давления
газопроводов 68
Выводы по разделу 118
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ГАЗОПРОВОДОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ 119
3.1. Временные факторы повреждаемости труб 119
3.2. Локальные критерии разрушения труб 124
3.3. Кинетика изменения структуры металла газопроводных труб при эксплуатации 136
3.4. Исследование кинетики развития и торможения усталостных трещин в трубах 141
3.5. Корреляция характеристик трещиностойкости с параметрами тонкой структуры 156
Обобщенное кинетическое уравнение механохимической повреждаемости труб газопроводов 160
Выводы по разделу 161
ОЦЕНКА ОСТАТОЧІЮГО РЕСУРСА ТРУБ ГАЗОПРОВОДОВ.. 162
Общая схема оценки остаточного ресурса труб 162
Оценка параметров технического состояния по критериям статической и циклической трещи постой кости 168
Расчетная оценка остаточного ресурса труб с учетом коррозии 180
Определение остаточного ресурса газопроводов по отношению испытательного давления к рабочему 195
Оценка ресурса труб с учетом старения металла 206
Выводы по разделу 207
РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ СІ ІИЖЕНИЯ ОПАСІЮСТИ КОРРОЗИОІIIILIX РАЗРУШЕІІИЙ ГАЗОПРОВОДОВ ОТ
ДЕЙСТВИЯ БЛУЖДАЮЩИХ И НАВЕДЕННЫХ ТОКОВ 208
Влияние блуждающих токов на газопровод и мероприятия по их ограничению 208
Моделирование электрических характеристик изолирующего
сгона 214
Влияние изолирующих сгонов на ограничение блуждающих токов промышленной частоты 228
Влияние изолирующих сгонов на ограничение токов, наведенных в газопроводе разрядами молний 233
Выводы по разделу 243
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 243
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАІ-П1ЫХ ИСТОЧІІИКОВ 247
ПРИЛОЖЕНИЯ
Введение к работе
Основным объектом трубопроводных систем газоснабжения являются подземные газопроводы, которые проложены в черте городов и населенных пунктов для обеспечения природными газами.
Несмотря на то, что подземные газопроводы находятся под редуцированным давлением, в них реализуются множество факторов, способствующих возникновению преждевременных отказов, и даже катастрофических аварий. Зачастую подземные газопроводы проходят рядом с железными дорогами, трамвайными путями, подземными трубопроводами иного назначения, высоковольтными кабелями, надземными линиями электропередач, могут пересекаться автомобильными и железнодорожными дорогами. Все это создает интенсивное поле блуждающих токов, колебания грунта, приводящие к коррозионному воздействию и циклическому иагружепию. Из года в год растет доля «дряхлых» (эксплуатируемых более 40 лет) газопроводов. Вывести из эксплуатации этих объектов не представляется возможным, а продолжение дальнейшей эксплуатации связано с решением научно-технических задач с учетом изменений комплекса характеристик работоспособности металла за время длительной работы, определяющих качественное функционирование системы газоснабжения.
В настоящее время нормативные документы по безопасности надзорной и разрешительной деятельности в газовом хозяйстве, в частности, Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов (РД-12-411-01) при определении остаточного срока службы базируются на фактических количественных значениях физико-механических свойств металла, параметров напряженно-деформированного состояния и механохимической коррозии. Для получения таких сведений необходимо установление закономерностей деградационных изменений состояния (возникновение и развитие микро- и макродефектов), тонкой структуры и комплекса характеристики работоспособности металла, определяющих эксплуатационную надежность и безопасность трубопроводных систем газоснабжения.
Перспектива дальнейшей эксплуатации длительно проработавших городских газопроводов возможно лишь на основе использования научных достижений технической механики разрушения и механохимии металлов, закономерности напряженного и структурного состояния металла, определяющих надежность и безопасность трубопроводных систем.
Весомый вклад в этой области внесли ученые отраслевых институтов ВПИИГаз, ВПИИСТ, ИМАШ им. А.А. Благонравова, ИМЕТ им. А.А. Байкова, ИПТЭР, ГИПРОТРУБОПРОІЮД, лабораторий и кафедр ВУЗов (РГУІІГ им. И.М. Губкина, МГТУ им. Э.А. Баумана, УГПТУ) и других научных центров страны.
Теоретические основы проблем трубопроводного транспорта отражены в трудах В.Л. Березина, О.М. Иванцова, О.И. Стеклова, В.Я. Кершепбаума, А.Г. Мазсля, В.В. Прптулы, А.Г. Гумерова, Р.С. Гумсрова, Р.С. Зайпуллина, Х.А.Азметова, ИГ. Абдуллина и многих других.
В процессе эксплуатации имеют место случаи повреждений объектов систем газоснабжения наведнепными токами на газопровод от удара молнии. Предотвращение подобных аварий связано с разработкой технических устройств с расчетно-теоретическим обоснованием.
Совокупность вышеперечисленных задач составляет сущность проблемы, решаемой в данной работе, направленной на повышение безопасности эксплуатации и продлению срока службы трубопроводов систем газораспределения.
Обеспечение промышленной безопасности объектов систем газоснабжения, как пожаровзрывоопасных, в настоящее время возведено па уровень государственной политики, реализуемой Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [195]. Цель диссертационной работы заключается в решении сформулированной проблемы путем:
- установления закономерностей изменений деградационных эксплуатационных и структурных характеристик металла труб в условиях длительной работы газопроводов под воздействием различных факторов;
- определение функциональных зависимостей между характеристиками, определяющими работоспособность и параметрами технического состояния городских газопроводов с учетом воздействия процессов подземной лихимической коррозии и накопленных повреждений в металле;
- разработки изолирующих технических устройств для ограничения блуждающих токов промышленной частоты и устранения импульсных токов, наведенных разрядами молнии.
Для реализации сформулированной проблемы и поставленных целей в работе решались нижеследующие задачи.
Выполнен анализ современных методов и нормативно-технической документации по прогнозированию остаточного ресурса безопасной эксплуатации подземных газопроводов. Описаны подходы, которые реализуются в зависимости от условий эксплуатации газопровода, наличием данных технического диагностирования, имеющихся экспериментальных методов, и теоретической базы расчета для прогноза остаточного ресурса.
Круг решаемых задач по прогнозированию остаточного ресурса определен с учетом постепенного накапливания повреждений в металле, интенсивность которого связана со свойствами металла, напряженно-деформированным состоянием и воздействием рабочей среды внешних факторов.
Установлены характерные для исследуемого объекта источники и механизмы повреждаемости металла труб.
Исследованиями тонкой структуры металла труб определены виды и особенности микродефектов, эволюция дислокационных структур, которая является предпосылкой для образования усталостных микротрещин. Для эксплуатационных режимов газопроводов микродефекты (вакансия, дислокация и их скопление) имеют определяющие значение. Но более опасными являются границы кристаллических зерен и двойникповение в зернах, способные привести к охрупчиванию и созданию благоприятных условий к протеканию коррозионных процессов.
Множество макродефектов неизбежно возникают при металлургических процессах, изготовления труб, строительстве и эксплуатации газопроводов. Значительная часть работы посвящена оценке роли макродефектов в определении жизненного цикла трубопроводов.
Рассматривались в основном и трещиноподобные дефекты, оказывающие влияние на характер напряженно-деформированного состояния, поскольку именно этот признак ориентирован на консервативную оценку прочности и долговечности.
Установлена динамика изменения дефектов различного происхождения. В процессе эксплуатации могут преимущественно расти только дефекты коррозиоіню-механического происхождения и дефекты типа трещин и расслоений. Дефекты механические, технологические и металлургические остаются без изменения, играя роль концентраторов напряжений и инициирующая образование трещин. Следовательно разрушение металла труб происходит через образование трещин, а дефекты (в том числе микродефекты) служат факторами ускоряющими начальный стадии образования трещин. Дальнейшее развитие этих трещин зависит от состояния металла труб, степени его старения, усталости, интенсивности циклического нагружепия и механо-химического воздействия.
К дефектам с максимальной возможностью зарождать усталостные трещины относятся трещиноподобные дефекты (коррозионные питтинги, царапины, риски, подрезы, т.е. V-образные концентраторы напряжений) с минимальным радиусом при вершине. Изучены механизмы зарождения и распространения трещин. Экспериментально полученный график роста усталостных трещин в стали 17ГС, является типичным для всех исследованных сталей.
Вся ЭЕЮЛЮЦНЯ роста субмпкротрещниы разшшастся по механизму микроскола, т.е. разрывом кристалла по плоскости с наименьшей плотностью упаковки атомов, с низкой энергией. В момент зарождения трещины в исследованных сталях имеют длину порядка 10" мм. Зарождение трещины является результатом локальной концентрации напряжений в структурно неоднородных областях, таких, как у дислокационных конфигураций, неметаллических включений, у зародышей карбидных частиц, у поры и полосы скольжения и т.н.
Для металла труб характерны хрупкое, усталостное разрушение. Трещина при разрушении распространяется как по телу зерна, так и по ее границе.
У длительно эксплуатируемых трубах усталостные трещины легко возникают и быстро распространяются в охрупчеппых областях, а при низких температурах наблюдается межкристаллитное разрушение. Нами установлено также, что тенденция к межзеренному разрушению усиливается по мере уменьшения скорости деформации. Разрушение металла труб является локальным процессом в микрообъемах.
Фрактографичсский анализ изломов показывает, что вязкое разрушение, как правило, является внутризереиым. Если даже трещина зарождается у границы зерна, при дальнейшем росте она проходит по телу кристалла.
Параметры трещиностойкости металла не коррелируются с его интегральными механическими свойствами. Они характеризуют прочность и пластичность локальных зон с трещиной. Поэтому установление корреляции трещиностойкости с изменениями микроструктурных параметров является актуальної! задачей. Следует также отметить, что в трубопроводных сталях, как известно, деформационное старение происходит при наличии дислокации и примесных атомов, даже при низких нагрузках, т.е. когда создаваемое в стенках трубы напряжение ниже даже напряжения усталости. Хотя в трубопроводах давление колеблется в малых пределах, однако, в структурно неоднородных областях (окрестности дефектов, границы кристаллических зерен и т.п.) напряжение достигает значительных величин, что способствует в этих областях протеканию деформационного старения и накопления необратимых лшкро-пластических деформаций. Протекание этих процессов приводят к образованию охрупчеиных областей, где относительно легко зарождаются и распространяются усталостные трещины.
В случае нагружения металла ниже предела усталости, как известно, также происходит образование большого количества подвижных дислокаций. Дальнейшее увеличение числа колебаний вызывает деформационное старение, приводящее к снижению треіциностойкости металла труб. Этот сложный процесс нами в работе объяснен множеством явлений. Происходят: генерация новых дислокаций и вакансий, увеличивается их плотность; эволюция дислокационной структуры по схеме «сетчатая - ячеистая — клубко-вая»; коагуляция вакансий и образованием пор; фрагментация цементитных пластин; скопление дислокации одного знака, которое приводит к упругому, искажению кристалла a-Fe.
Деформационное старение сопровождается также образованием новых карбидных частиц на полосах скольжения и на границе зерен, которые вызывают охрупчивапие металла.
Примесные атомы кремния, углерода, азота и др. скапливаются на границах зерен, в результате чего уменьшается прочность связи между зернами. При дальнейшей эксплуатации в определенной степени происходит наводораживание металла труб. Атомы водорода легко диффундируют в деформированную область у вершины трещины и охрупчивают эту область. Этим самым они ускоряют рост усталостных трещин. Другим влиянием мым они ускоряют рост усталостных трещин. Другим влиянием атомов водорода на надежность газопровода является то, что они, проникая в металл трубы, собираются в коллекторах, где, образуя молекулу водорода, создают высокое давление. Это в свою очередь приводит к выпучиванию металла на поверхность трубы, снижая при этом ее прочность.
Водород, соединяясь с атомами углерода, образует метан. Этот процесс уносит часть углерода, чем и объясняется уменьшение углерода в металле газопроводов в процессе длительной эксплуатации. Сказанное является характерным для газопроводов, перекачиваемая среда в которых способствует этому процессу.
Для решения поставленных задач были изготовлены образцы из сталей СтЗ, І7ГС, 14ХГС, 14ГП, Ст20, 09Г2С, которые вырезались из демонтированных труб после аварии, во время реконструкции или капитального ремонта газопроводов. Возраст этих труб колеблется в пределах 25-46 лет. Для исследования свойств металла и их структуры применялись стандартные методики. Изучена дефектность металла труб.
Для проведения исследования также были разработаны и изготовлены специальные установки, позволяющие циклически нагружать образцы. Проведено исследование скор&бЬі и характера распространения усталостных трещин в процессе малоциклового нагружения.
Важной характеристикой металла труб является сопротивляемость ее хрупкому разрушению и изменению этой характеристики при длительной эксплуатации газопроводов. Известно, что изменение сопротивляемости металла разрушению непосредственно связано со структурными изменениями металла в локальных, структурно неоднородных областях, где происходит формирование трещины и протекание процесса разрушения металла трубы газопроводов.
Для длительно эксплуатируемых трубопроводов весьма важным является определение их остаточного ресурса. В работе разработаны несколько методов решения этой задачи. В частности, разработаны методики определения остаточного ресурса металла труб с учетом его дефектности, срока и условий эксплуатации трубопровода, механохимическои коррозии металла труб. Предложена модель торможения развития трещины в результате перс-грузки металла труб (например, при переиспытаниях) трубопроводов. Особенностью развиваемых в работе подходов к оценке остаточного ресурса газопроводов является тот факт, что они базируются на кинетических (временных) уравнениях циклической и механохимическои повреждаемости металлов. Предложены формулы для оценки напряженного состояния в окрестности вершины трещиноподобных дефектов.
Для многих подземных газопроводов велика вероятность протекания переменных блуждающих токов промышленной частоты. Они могут накладываться на постоянные блуждающие токи и усиливать коррозию металла стенок трубопровода.
В отличие от постоянного, переменный блуждающий ток промышленной частоты может проникать в тело подземного трубопровода и при отсутствии повреждений его изоляции через конденсатор, который образует тело трубы с землей, а диэлектриком такого конденсатора является изоляция трубопровода.
В работе впервые решалась задача ограничения переменных блуждающих токов в трубе до значений, не превышающих по амплитуде величины постоянных токов, создаваемых катодными станциями. Для этих целей разработано техническое устройство — специальное резьбовое соединение (изолирующий сгон). Концы труб соединяются при помощи муфты, используя уплотнитель, выполненный из материала с высокими диэлектрическими свойствами, благодаря этому газопровод делится на отдельные электрически изолированные друг от друга участки. Получены аналитические зависимости для оценки силы тока промышленной частоты в трубопроводе и определены ограничивающие эффекты величину этого тока изолирующим сгоном.
Исходя из возможных количественных значений силы тока промышленной частоты в трубопроводе без изолирующих сгонов установлена степень уменьшения этого тока при установке изолирующего сгона.
Наибольшую опасность для подземных трубопроводов представляют прямые удары молнии в землю или в окружающие предметы вблизи подземного трубопровода, а также разряды молнии вдоль него.
Индуктированные в трубопроводе электродвижущие силы могут при этом превышать импульсивную прочность изоляции. Пробой изоляции с образованием искровых разрядов представляет опасность во взрывоопасной среде - на подходах к газораспределительным подстанциям, компрессорным станциям и хранилищам газа.
Приведены расчетные формулы для оценки величины импульсных токов и напряжений, наведенных в газопроводе разрядами молнии, при отсутствии и наличии изолирующих сгонов.
Описана в комплексной форме амплитуда основной гармонии индуктированного тока. При этом значения индуктированного тока могут при отсутствии изолирующего сгона достигать нескольких сот ампер, а напряжения на изоляции — нескольких десятков киловольт.
При наличии изолирующего устройства к сопротивлению тела трубы добавляется сопротивление изоляции сгопов. Определяющую роль при этом играет емкостное сопротивление изолирующего сгона, снижающее величину индуктированного импульса тока до долей ампера. Напряжения, приложенные к изоляции, не превышают при этом десятков вольт и являются безопасными.
Л и ч и о е уч асти е а втора в получ е н и и резу л ьтато в д ис сертаци и. Путем систематизации и обобщения сведений «Реестра газопроводов, имеющих повреждения» и проведенными исследованиями па макродефектность стенок аварийных участков труб, установил, что основные отказы городских подземных трубопроводов предприятия «Уфагаз» - филиала ОЛО «Газ-сервис», эксплуатируемые с 1954 года, имеют коррозиошш-механическое происхождение, при этом доля только сквозных коррозии тела трубы составляет 45% от общего числа повреждений.
Для реализации поставленной цели по определению деградациопных изменений свойств металла труб, длительно эксплуатируемых газопроводов, выполнил следующие виды работ:
- выполнил исследование по выявлению характерных макро- и микродефектов и привел данные по их влиянию па напряженное состояние и изменение эксплуатационных свойств металла труб;
- экспериментально установил зависимость между коэффициентом задержки роста трещины и количеством циклов пагружепия на период этой задержки;
- исследовал процессы развития трещин в условиях циклического пагружепия и механохимической коррозии;
- получил аналитические зависимости для расчетной оценки долговечности труб при различных условиях эксплуатации, в том числе, механохимической коррозии;
- установил последовательность изменения дислокационной и тонкой структуры в металле в процессе длительной эксплуатации;
- разработал ряд методик оценки остаточного ресурса трубопроводов и их конструктивных элементов.
Выполнил расчеты по определению конструктивных, электрических параметров, изолирующих сгонов и организовал производство опытно-промышленной партии сгонов на предприятии «УфаПромГаз». ДиссертащюЕшая работа выполнялась в соответствии с государственными научно-техническими программами «Перспективные технологии в машиностроении, приборостроении, аппаратостроении и других отраслях промышленности Башкортостана» (1993-1995 гг.); «Надежность и безопасЕїость технических систем в нефтегазохимическом комплексе (1996-1998 гг.); «То-пливно-эиергетический комплекс Республики Башкортостан, стабилизация, развитие» (1999-2001 гг.).
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях «Проблемы нефтегазового комплекса России» (Уфа, 1995); «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 1996); «Проблемы нефтегазового комплекса России. Международная конференция» (Уфа, 1998); «Диагностика оборудования и конструкций с использованием магнитной памяти металла» Вторая международная конференция (Москва, 2001); III конгресс нефтегазопромышленников России (Уфа, 2001); «Водоснабжение на рубеже столетий» (Уфа, 2001); «Нефть и газ на старте XXI века» (Уфа, 2001); Совместное заседание Южно-Уральского отделения Академии горных наук, Волго-Камского отделения Российской Академии естественных наук, Отделения нефти и газа Академии наук Республики Башкортостан (Уфа, 2001); Ш Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы прогнозирования, предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (Уфа, 2002); «XVI Уральская школа металловедов-термистов «Проблемы физического металловедения перспективных материалов» (Уфа, 2002).
Разработки внедрены на предприятиях ОАО «Газ-сервис» (Республика Башкортостан). Па основе выполненных исследований разработан комплекс нормативно-технических документов, согласованных органами Госгортех-надзора РФ и институтами, специализирующими в области надежности и эксплуатации трубопроводных систем (см. Приложения). По теме диссертации опубликовано 45 научных работ, в том числе одно свидетельство на полезную модель.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций. Работа изложена на 293 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц, 74 рисунка, список литературы включает 265 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н. Гумеропу К.М. и д.т.н. Азметову Х.А. за участие в постановке целей исследований и обсуждении результатов, а также к.т.н., доценту Шабанову В.А. и сотрудникам Института проблем свсрхпластичности металлов РАН (г. Уфа), где проводились исследования структур и свойств металлов.
